Абстракция памяти: адресное пространство, свопинг.

Абстракция памяти: адресное пространство, свопинг

Предмет: Операционные системы и среды

Мечта программиста:
иметь предоставленную только
ему неограниченную по объему и скорости работы ДЕШЕВУЮ память, которая к тому же не теряет своего содержимого при отключении питания.

Концепция иерархии памяти, согласно которой компьютеры обладают:
несколькими мегабайтами очень быстродействующей, дорогой и энергозависимой кэш-памяти,
несколькими гигабайтами памяти (ОЗУ), средней как по скорости, так и по цене,
несколькими терабайтами памяти на довольно медленных, сравнительно дешевых дисковых накопителях,
сменными накопителями, CD(DVD)-диски и флеш-устройства USB.

Превратить эту иерархию в абстракцию, то есть в удобную модель, а затем управлять этой абстракцией — и есть задача операционной системы.
Часть операционной системы, которая управляет иерархией памяти (или ее частью), называется менеджером, или диспетчером, памяти.

Запуск нескольких программ без абстракций памяти (Вариант 1)

Для одновременного запуска нескольких программ операционная система должна:
сохранить все текущее содержимое памяти в файле на диске, а затем
загрузить и запустить следующую программу.

Поскольку одновременно в памяти присутствует только
одна программа, конфликтов не возникает. Эта концепция называется заменой данных (свопинг)

Запуск нескольких программ без абстракций памяти
(Вариант 2)

Наличие специального дополнительного оборудования позволяет осуществлять параллельный запуск нескольких программ без
использования свопинга.

IBM 360.
Память делилась на блоки по 2 Кбайта, каждому из которых присваивался 4-битный защитный ключ, содержащийся в специальных регистрах за пределами центрального процессора. Машине с объемом памяти в 1 Мбайт нужно было иметь лишь 512 таких 4-битных регистров, и все хранилище ключей занимало в итоге 256 байт памяти.

Слово состояния программы — PSW (Program Status Word) также
содержало 4-битный ключ. Аппаратное обеспечение IBM 360 перехватывало любую попытку запущенного процесса получить доступ к памяти с ключом защиты, отличающимся от ключа PSW. Поскольку изменить ключи защиты могла только операционная система, пользовательские процессы были защищены от вмешательства в работу друг друга и в работу самой операционной системы.

Запуск нескольких программ без абстракций памяти (Вариант 2)
Проблема абсолютного адреса физической памяти!

Запуск нескольких программ без абстракций памяти (Вариант 2)
Проблема абсолютного адреса физической памяти!

Решение:
технология статического перемещения.
Она работала следующим образом: когда программа
загружалась с адреса 16384, в процессе загрузки к каждому адресу в программе прибавлялось постоянное значение 16384.

Предпосылки

Если пользовательские программы могут обращаться к каждому байту памяти, они легко могут преднамеренно или случайно испортить операционную систему, раздробить ее код и довести до остановки работы
довольно сложно организовать одновременную (поочередную, если имеется лишь один центральный процессор) работу нескольких программ. На персональных компьютерах вполне естественно наличие нескольких одновременно открытых программ (текстовый процессор, программа электронной почты, веб-браузер), с одной из которых в данный момент взаимодействует пользователь, а работа других возобновляется щелчком мыши. Этого трудно достичь при отсутствии абстракций на основе физической памяти.

Понятие адресного пространства создает своеобразную абстрактную память, в которой существуют программы.

Адресное пространство — это набор адресов, который может быть использован процессом для обращения к памяти.
У каждого процесса имеется свое собственное адресное пространство, независимое от того адресного пространства, которое принадлежит другим процессам (за исключением тех особых обстоятельств, при которых процессам требуется совместное использование их адресных пространств).

Примеры:
В США и многих других странах местный телефонный номер состоит обычно из семизначного номера. Поэтому адресное пространство телефонных номеров простирается от 0000000 до 9999999, хотя некоторые номера, к примеру, те, что начинаются с 000, не используются.
С ростом количества сотовых телефонов, модемов и факсов это пространство стало слишком тесным, а в этом случае необходимо использовать больше цифр.
Адресное пространство портов ввода-вывода процессора Pentium простирается от 0 до 16 383.
Протокол IPv4 обращается к 32-разрядным номерам, поэтому его адресное пространство простирается от 0 до 232 - 1 (опять-таки с некоторым количеством зарезервированных номеров).

Базовый и ограничительный регистры

Динамическое перераспределения памяти. При этом адресное пространство каждого процесса проецируется на различные части физической памяти.

Классическое решение заключается в оснащении каждого центрального процессора двумя специальными аппаратными регистрами, которые обычно называются базовым и ограничительным регистрами.

Базовый и ограничительный регистры

При использовании этих регистров программы загружаются в последовательно расположенные свободные области памяти без модификации адресов в процессе загрузки.
При запуске процесса в базовый регистр загружается физический адрес, с которого начинается размещение программы в памяти, а в ограничительный регистр загружается длина программы.

Базовый и ограничительный регистры

Недостатком перемещений с использованием базовых и ограничительных регистров является необходимость применения операций сложения и сравнения к каждой ссылке на ячейку памяти. Сравнение может осуществляться довольно быстро, но сложение является слишком медленной операцией из-за затрат времени на вспомогательный сигнал переноса, если, конечно, не используются специальные сумматоры.